综放工作面过断层的灾害防治综合技术

孙海朋，窦桂东，吴章涛，刘明武

(陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 713500)

0 引言

小庄煤矿地处彬长矿区中央，矿井采用立井开拓方式，井田东西长6.5 km，南北宽7.0 km，面积45.824 7 km2，批准生产规模为6.00 Mt/a，地质储量9.2亿t，煤层平均厚度18 m，可采储量5.4亿t。40309综放面位于井田三盘区，走向长2 980.25 m，宽206 m，面积613 931.5 m2。工作面主采4号煤，煤层埋藏深度508～742 m，工作面内煤层形态西部呈单斜构造，东部呈近水平状态，地层产状较为稳定。

小庄井田地表及钻探过程中未见断层，2011—2019年分别对矿井的一、二、三、四、五盘区实施了三维地震勘探(含电法)。三维地震勘探共解释断层10条(3DF1～3DF10)，其中东区3条、西区7条，均为正断层。根据目前采掘揭露情况，3DF1、3DF2断层不存在，其中可靠、较可靠断层5条，均为正断层，断层走向以NE和NW向为主。

断层对综放工作面开采的安全生产影响较大，体现在回采期间顶板管理、矿压显现、断层导水、瓦斯等有毒有害气体气体异常涌出[1-3]。

1 F2断层基本情况

1.1 巷道掘进期间断层揭露情况

40309工作面胶带顺槽在掘进至里程2 157 m时发现煤层发育有一条裂隙，裂隙内填充方解石岩脉，厚度100～200 mm，通过该裂隙前后40 m范围内探煤发现顶煤厚度发生剧烈变化，顶煤厚度由11.6 m逐渐变为6.5 m。随后地质技术人员通过查看三盘区三维地震勘探(含电法)报告，对该区域的数据处理结果进行重新再解释，并结合现场技术人员地质调查及相关地质补勘资料，综合判断该断层为逆断层，落差2 m，裂隙为断层面，倾向133°，倾角30°，胶带顺槽F2断层剖面如图1所示。

图1 胶带顺槽F2断层剖面Fig.1 F2 fault section of transport roadway

1.2 回采期间揭露情况

经地质技术人员在工作面多次地质写实，40309工作面回采推进度886～1 025 m在面内连续揭露F2断层，断煤交线处发育有方解石岩脉，平均厚度约0.3 m(最大0.5 m，最小0.1 m)，断层走向33°、倾角30°、落差2 m，断层在面内延伸长度272 m，断层揭露部位未出现明显破碎带等其他异常地质现象，F2断层在面内揭露范围平面图如图2所示。

图2 F2断层面内揭露面范围平面图(单位：m)Fig.2 Exposed surface range in F2 fault

2 断层对回采工作面安全生产的影响

2.1 矿压显现

当断层走向与工作面平行或近似平行时，断层全部或大部分同时暴露于工作面，顶板破碎面积大，来压集中，顶板不易管理，支架移动困难，容易造成工作面切顶，对开采最为不利[4]。通过在井下多次现场地质写实，并利用力学原理综合分析，断层上盘受到上覆岩体挤压力F的作用，力F1挤压断层面，力F2作用于上盘使上升盘下降，产生反作用力F′。力F2导致巷道底鼓严重、顶板破碎，反作用力F′作用导致巷道底鼓严重，具体力的作用效果如图3所示。

图3 上覆岩体对断层力的作用示意Fig.3 Effect of overlying rock mass on fault force

在实际生产过程中，发现工作面回采里程745～1 021 m(图2)，回顺长度约276 m巷道底鼓严重、顶板破碎、巷道两侧帮部垮帮严重，巷道高度由设计的3.9 m变为2.6 m(最低处)，在工作面回采过该区段的过程中，投入了大量人力、物力进行巷道维护，对安全生产影响较大。自工作面回采过里程1 021 m及工作面过F2断层后(即回采里程1 025 m)，回顺底鼓、顶板破碎现象明显减轻，已经无需投入大量人力去专门维护巷道。

此外，40309工作面过F2断层前期为了提高放顶煤回收率，支架泵站压力调低至31.5 MPa，充分利用了矿山压力作用，取得了良好的放煤效果。但周期来压及过F2断层后，未对泵站压力进行调高，导致支架不能充分发挥支架性能，支撑压力集中在工作面煤壁，发生了几次动力显现事件，最严重的事件导致架前约40 m片帮，底板瞬间被抬起0.2 m左右，前溜倾斜严重，导致工作面数次停产处理，对工作面回采影响较大。

2.2 断层导水

判断一个断层是否导水，受诸多因素影响，主要为断裂的时间性、断裂的规模及空间结构、断裂的力学性质、断裂两盘的岩性等。一般认为，断裂形成越早则其断裂面胶结愈好，则导水性差；而断裂形成愈新，断裂的切割性与连通性愈好，充填物少，断裂带胶结差，富水及导水性强。新构造断裂控水，但不一定富水，只有在断裂长度、深度具有一定规模时，方可具有地下水运动和储集的空间，这时才可能富水。张性断裂一般是导水和富水的，扭性断裂次之，而压性断裂一般是不导水的。断层一侧为坚硬脆性岩石，另一侧为软弱塑性岩石时，断层带一般充填较好，导水性较弱；坚硬岩层一侧，裂隙较为发育，含水性也较强[6]。通过现场地质写实可知，F2断层面填充有大量的方解石岩脉，可知断层形成时间较早，且该断层的断层面充填有方解石岩脉，填充较好，密度大，地下水难以储集和传导；该断层非新构造断裂，且断裂长度及规模不大，很难形成地下水运动和储集的空间；断层两盘均为4号煤，4号煤及其顶板砂岩含水层富水性微弱，此外，该断层落差2 m，落差较小，且不会导通上覆富水性中等的洛河组砂岩含水层。综合分析可知，工作面推采过F2断层，不会受到水害威胁影响，为防止事故发生仍不容忽视。

2.3 瓦斯等有毒有害气体

断层作为构造的一种形式，为瓦斯赋存提供2种条件，即瓦斯贮存的屏障或瓦斯运移的通道。煤层中发育有众多的中小断层，对煤层开采过程中的瓦斯涌出起着非常重要的控制作用。在分析断层对煤层瓦斯的影响时，常呈现比较复杂的关系，这是因为断层对瓦斯是起封闭还是起排放作用，既与断层的力学性质有关，又与煤层的围岩性质和断层上下盘与煤层接触地点岩石的岩性以及与断裂的充填情况等均有关系[7]。

矿井在巷道开拓及工作面回采过程中，先后揭露了6条断层。据断层台账显示，巷道在穿过以上6条断层时，除个别断层附近有少量淋水外，均无瓦斯异常现象。尽管如此，据南部的大佛寺煤矿生产资料显示，在其大巷揭露并通过断层时仍出现了因瓦斯涌出量增大而撤人的现象，对煤矿安全生产造成了一定影响，因此在生产过程中也不能放松警惕。

工作面回采过F2断层期间，通过监测数据、风排量及瓦斯抽采数据，工作面瓦斯绝对涌出量出现4次瞬间增加，最大持续时间9分44秒，未出现瓦斯超限及有毒有害气体涌出事故。

3 过断层安全回采措施

针对工作面回采过程中出现的几次压力显现、瓦斯涌出量突然增大的异常事件，制定了多项安全回采措施[8-9]，结合现场实际生产情况，主要从生产组织、矿压防治、机电管理、“一通三防”、防治水方面采取安全措施，取得良好效果，工作面后续回采再未出现异常事件。

3.1 生产组织

控制好回采进尺：推进度每天不能超过4刀煤，均衡、稳定推采，不得在生产误时后赶产。

合理组织生产流程：组织好割煤、放煤工序，避免相互影响。控制工作面各区域顶煤放出量，均匀放煤，避免忽大忽小，局部大量放矸。割、放煤位置不得小于50架的距离。揭露断层位置放煤时，煤机不得同时作业。

控制采高：割煤高度控制在3.5～3.8 m，保证支架能有效支撑顶板[10]。

3.2 矿压防治

钻孔卸压：施工帮部及底板大直径卸压钻孔，超前对工作面卸压，避免工作面应力集中突然释放。

注水压裂：应用煤体注水压裂技术，促进煤体应力释放辅助卸压。

预测预报：调研工作面周期来压规律，根据来压步距，周期来压前进行预测预报，制定措施。

3.3 机电管理

设备检修：每天由检修班负责对工作面及回顺设备进行检查，发现失爆立即处理。

电缆整理：检修班做好电缆整理工作，两顺槽超前300 m范围内不得积存电缆。

支架初撑力：保证工作面支架初撑力。来压期间泵站输出压力不低于31.5 MPa，工作面支架初撑力不低于25.2 MPa。

补液：工作面支架及防冲支架每班安排专人对支架进行补液，巡查补液次数每天不少于3次。

管路维护：加强供液管路和单体液压支柱的使用和管理，杜绝跑冒滴漏。供液管路要保持完好不漏液，支柱三用阀口全部朝向老空侧[11]。

安全阀整定：乳化液泵站卸载阀整定值为37.5 MPa，严禁随意调整安全阀的整定值，使用乳化液自动配比仪装置，乳化液浓度保持在3%～5%之间，并经常检查配比浓度。

3.4 “一通三防”

抽采管理：加强工作面抽采管理，施工瓦斯抽采钻孔补孔，并做好瓦斯抽采系统维护。

加强检查：加强两顺槽高冒点、松散煤体检查，防止煤自然发火。

除尘：两巷积尘严重，加强巷道冲尘(每日工作面检修期间进行)，完善防尘设施，并正常使用，防止发生冲击地压事故后煤尘扬起，引起爆炸。

顶板弱化：落实好顶板弱化措施，做好工作面上下隅角顶板管理，避免大面积悬顶，落顶时造成瓦斯超限。

3.5 防治水

实时监测：每日利用矿井水文预警动态监测系统实时监测工作面涌水量，发现涌水量突然增大，及时查明涌水来源，发出预警。

现场实测：防治水技术人员至少每天对工作面进行一次水文地质写实，并做好工作面涌水量的现场实测[12]。

排水系统维护：加强工作面排水系统的日常检查和维护，出现排水系统故障后，第一时间组织人员进行处理。

水沟清淤：做好两顺槽的水沟清淤工作，保证流水畅通。

4 结语

通过40309综放工作面回采过F2断层期间生产过程可知，小型断层对工作面安全回采能够造成一定影响，相关危害不能忽视。经过在小庄煤矿40309综放工作面过断层灾害防治综合技术摸索和实践，为矿井过断层安全生产积累了丰富经验和技术管理措施。